KR102237233B1 - 개방형 광학 공진기 캐비티에서의 입자 특성화 - Google Patents
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Abstract
유체 내의 분극성 입자의 특성은 유체를 포함하는 대향된 광학 반사체들을 포함하는 광학 캐비티를 사용해서 검출된다. 입자는 유체를 통해 광학 캐비티 내로 도입된다. 입자는 캐비티 내에 일시적으로 체류하거나 광학적으로 포획될 수 있다. 입자를 포함하는 광학 캐비티는 입자에 의해 영향을 받는 광학 캐비티의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 조명된다. 여기된 공진의 파라미터의 측정치는, 예를 들어 공진을 통한 동조 중에 도출된다. 반복적인 측정치들은 광학 캐비티 내의 입자의 운동에 의존하는 입자의 특성의 척도를 도출하는 데 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 입자의 특성화에 관한 것이다.
용액에서, 나노입자일 수 있는, 입자의 무표지 특성화(label-free characterisation)를 달성하는 능력은 광범위한 산업 및 과학 응용 분야에서 중요하다. 건강관리, 재료 과학, 환경 과학, 및 보안과 같은 다양한 분야는 모두 입자의 검출 및 식별을 수반한다. 매우 낮은 농도에서 30 ㎚ 내지 300 ㎚ 사이즈의 나노입자를 식별할 수 있는 기술은, 엑소좀(exosome)(유전 정보의 전달에 있어서 핵심적인 역할을 함)과 같은 입자 및 바이러스가 통상적으로 이 사이즈 범위에서 발견되기 때문에, 생명 과학 및 보안 응용 분야에서 특히 유용하다. 단일 입자 수준에서 여러 성질들의 특성화를 가능하게 하는 방법론은 유체 샘플의 내용물에 대한 사전 지식 없이 입자를 실시간 모니터링 및 식별하는 데 특히 유의미하다.
실제로 입자 검출 및 특성화에 사용되는 가장 일반적인 기술은 동적 광 산란(dynamic light scattering (DLS))이다. DLS에서는, 용액에 레이저 광이 조명되고, 산란 강도의 공간 분포에서 시간적 변동(temporal fluctuation)이 사용되어 입자들의 사이즈 분포를 그들의 마찰 계수와 주위 유체의 점도에 기초하여 결정한다. 이 기술은 일반적으로 큰 입자 집합체를 특성화하는 데 사용되지만, 개개의 나노입자에 적용될 수도 있으며(예시적인 기구는 Malvern Instruments NanoSight 임), 그에 따라 나노입자 추적 분석(Nanoparticle Tracking Analysis (NTA))으로 알려져 있다. 이 기술은 다른 기술들, 예를 들어 입자 제타 전위(zeta potential)를 특성화하는 전기영동법과 조합될 수 있다.
사이즈 정보만으로는 흔히 샘플 내의 입자를 식별하기에는 불충분하고, 형상, 구성 물질, 또는 화학적 성질에 관한 추가적인 정보가 필요해진다. 식별에 도움이 될 수 있는 한 가지 파라미터는 사이즈, 형상, 및 굴절률에 의존하는 유전 분극률(dielectric polarizability)(α)이다. 분극률을 측정하는 한 가지 방법은, 미소 입자의 경우 α2로서 스케일링하는 산란 강도를 이용하는 것이지만, 이는 다분산 샘플에서의 넓은 동적 신호 범위 및 광학 강도의 주의깊은 교정에 대한 필요성에 기인하는 어려움을 나타낸다. 미소 입자의 경우, 반사된(또는 투과된) 그리고 산란된 빔 사이의 간섭은 α에 비례하는 신호를 제공하지만, 이는 산란된 광의 상대 위상이 매우 시간 의존적인 이동하는 입자를 측정하기에는 부적절하다. 헤테로다인(heterodyne) 검출과 같은 간섭 측정 방법이 샘플로부터 기구로의 위상 안정성에 대한 필요성을 전달하기 위해 개발되었지만, 간섭계가 환경적 교란에 대하여 안정적인 견고한 기구를 제작하는 데는 여전히 어려움이 있다.
집속된 광학 빔에서의 입자의 포획(trapping) 및 조작도 충분히 확립되어 있다. 통상적으로, 매우 집속된 레이저로부터의 가우스 빔(Gaussian beam)이 사용되고, 그에 따라 입자가 초점 영역에 가깝게 포획된다. 전계 강도는 입자의 브라운 운동(Brownian motion)을 제한하되 배제하지는 않는 포획 전위를 규정한다. 입자의 운동은, 트랩(trap)에서의 입자의 위치를 나타내기 위해 산란된 광 신호(또는 균등하게 투과된 신호)에서의 변동을 측정함으로써, DLS와 유사한 방식으로 모니터링될 수 있다. 그러나, 입자 사이즈를 추출하기 위한 트랩에서의 입자의 확산 운동의 정량 분석은 입자의 분극률에 대한 선험적 지식이 필요해지는 트랩 견고성(trap stiffness) 파라미터의 정확한 교정에 대한 필요성에 의해 저해된다. 분극률을 얻기 위한 산란 강도의 교정이 여전히 문제이다.
최근 몇 년간, 입자를 포획 및 특성화하는 데 사용되는 광자 결정 캐비티(photonic crystal cavity)와 같은 공진 광학 캐비티(resonant optical cavity)에 대하여 드물게 보고되고 있다. 이러한 시스템에서, 입자의 존재는 그 굴절률과 주위 매질의 굴절률 사이의 차이에 기인하는 캐비티 모드에서의 스펙트럼 시프트(spectral shift)를 야기한다. 이러한 스펙트럼 시프트는 입자의 운동을 연구하기 위해 모니터링될 수 있다. 시프트의 최대 크기는 트랩 내의 기지의 전계 강도 분포에 기초하는 입자 분극률의 직접적인 척도를 제공하고, 그에 따라 확산 운동에 기초하는 완전히 교정된 입자 특성화를 다른 입자 성질들의 측정치와 조합하기 위한 큰 전위를 제공한다.
광자 결정 캐비티를 사용하는 이러한 방법은 미소 입자를 포획 및 특성화하기 위해 필요한 고품질의 공진 및 작은 모드 용적을 제공하지만, 이러한 캐비티 디자인에서의 포획 전위가 일반적으로 광자 결정의 고체 유전체 매질과의 계면과 일치 또는 매우 근접하는 경우의 어느 하나에서 가장 강하다는 사실에 의해 부분적으로 야기되는, 캐비티 모드에서의 재현성의 결여에 의해 제한되곤 한다. 따라서, 입자와 고체 캐비티 구조 사이의 접촉력의 상세는, 액체 매질에서 확산하는 입자의 마찰 계수의 변화와 마찬가지로 중요해질 수 있다. 포획 전계 강도를 입자 위치에 의존하게 하는 자체유발 역동작(self-induced back action)이 이러한 문제를 완화할 수는 있지만, 교정하기는 어렵다. 상업적인 잠재력을 제한하는 고가의 동조 가능 레이저원을 필요로 하는 레이저 여기 파장에 대한 광자 결정 캐비티 모드의 스펙트럼 동조, 및 첨단 광 도파 기법을 필요로 하는 캐비티 모드 내외로의 광의 결합이 추가적인 과제이다. 또한, 표면 플라스몬(surface plasmon)에 기초하여 나노 크기의 광학 캐비티에 대하여 몇 가지 연구가 수행되었지만, 이들은 재현 가능한 형태로 제작하기가 어렵고 포획된 입자의 정량 분석을 아직은 허용하지 않는다.
요약하면, 입자의 정량적인 특성화를 가능하게 하고 단순하고 저렴한 장치를 사용해서 구현될 수 있는 기술을 개발하는 것이 분명히 필요하다.
본 발명에 따르면, 유체 내의 분극성 입자의 특성을 검출하는 방법이 제공되고, 해당 방법은 유체 내의 분극성 입자의 특성을 검출하고, 해당 방법은 유체를 사이에 수용하는 대향된 광학 반사체들을 포함하는 개방형 광학 캐비티를 사용하고, 해당 방법은:
적어도 하나의 입자를 유체를 통해 광학 캐비티 내로 도입하는 단계;
개개의 입자에 의해 영향을 받는 광학 캐비티의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 입자를 포함하는 광학 캐비티를 조명하는 단계; 및
여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치를 도출하는 단계를 포함한다.
따라서, 방법은 대향된 광학 반사체들을 포함하는 개방형 광학 캐비티를 사용함으로써 분극성 입자의 특성의 검출을 제공한다. 이는 광학 캐비티에서 대향된 광학 반사체들 사이에 포함될 수 있는 유체 내에 입자를 배치함으로써 입자가 광학 캐비티 내로 도입될 수 있게 한다. 이 구조는 구현하기 쉽고, 측정을 위한 입자의 도입을 용이하게 한다. 개개의 입자에 의해 영향을 받는 광학 캐비티의 광학 모드의 공진이 여기되고, 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 측정치가 도출된다. 공진은 입자와 주위 유체 사이의 광학적 성질(예컨대, 굴절률)의 차이의 결과로서 입자에 의해 교란된다. 이는 그 고유한 성질에 대한 최소한의 교란으로 입자의 특성화를 가능하게 한다. 이러한 방법은, 생의학 및 환경 과학에서부터 보안 및 제조에 이르기까지, 광범위한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
광학 캐비티 및 조명 광은 공진이 광학 캐비티 내의 입자를 광학적으로 포획하도록 배치될 수 있다. 이는 많은 장점을 제공한다. 첫째, 입자가 광학 캐비티 내에 남아 있게 되는 일반적인 확산 기간보다 상당히 긴 기간에 걸쳐 입자를 포획 및 측정하는 것이 가능하다. 둘째, 측정된 파라미터는, 반복적인 측정치들의 분석에 의해 도출될 수 있는 입자의 특성에 관한 유용한 정량적인 정보를 현저하게 증가시키는 포획 전위 내에서의 입자의 운동에 관한 정보를 제공한다. 예를 들어, 입자에 의한 광 산란에 의존하는 파라미터들의 척도가 도출될 수 있다. 또한, 광학 캐비티 내의 입자의 운동에 의존하는 입자의 특성의 척도는 반복적인 측정치들의 분포로부터 도출될 수 있다. 연구될 수 있는 특성들로서는, 입자의 분극률, 입자의 온도, 입자의 마찰 계수 및/또는 입자의 사이즈가 예로서 포함된다.
방법은 상대적으로 저렴하고 제조가 용이한 장비를 사용해서 구현될 수 있다.
유리하게는, 광학 캐비티를 조명하는 단계는, 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치가 시간 도메인에서의 출력의 분석에 의해 도출될 수 있도록, 공진을 통해 동조하는 단계를 더 포함한다. 그 경우, 동조는 상대적으로 이동 가능한 대향된 반사체들을 사용해서, 즉 대향된 반사체들을 상대적으로 이동시켜서 캐비티 길이를 조정하는 것에 의한 공진을 통한 동조에 의해 달성될 수 있다. 이는 방법이 용이하게 저렴한 장비로 구현될 수 있게 한다. 조명된 광의 광원은 다이오드 레이저와 같은 단순한 광원의 사용을 허용하는 고정 주파수를 가질 수 있어서, 동조 가능한 좁은 선폭의 광원에 대한 필요성이 회피된다. 유사하게, 조명의 검출기는 포토다이오드와 같은 단순한 장치일 수 있어서, 고해상도의 분광 측정에 대한 필요성이 회피된다. 이는, 일반적으로 이용되는 시간 분석형 이미징 검출기와 조합하여 광학 캐비티들의 어레이 또는 확장된 평면 캐비티를 사용하는 병렬 감지를 위한 어레이 장치에까지 본 방법을 용이하게 확장시킬 수 있다는 부가적인 장점을 제공한다.
이제, 본 발명의 실시형태들을, 보다 잘 이해할 수 있도록, 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 실시예로서 설명한다:
도 1은 개방형 광학 캐비티의 단면도이고;
도 2는 확장된 개방형 광학 캐비티의 개략적인 사시도이고;
도 3은 도 1에 도시된 유형의 광학 캐비티를 다수 포함하는 장치의 개략적인 평면도이고;
도 4는 도 3에 도시된 유형의 장치의 기판의 주사형 전자 현미경 이미지이고;
도 5는 도 1에 도시된 유형의 광학 캐비티의 시뮬레이션의 단면 이미지이고;
도 6은 나노입자의 존재시의 위치의 함수로서 도 2에 도시된 유형의 광학 캐비티의 경우의 대역단(band edge)의 에너지의 플롯(plot)이고;
도 7은 입자를 특성화하는 방법의 흐름도이고;
도 8은 방법을 수행하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 9는 2회의 상이한 동조 주사에 걸쳐 실험적으로 도출된 시스템의 측정 검출기의 출력의 2개의 트레이스(trace)의 플롯이고;
도 10 및 도 11은 시간에 걸쳐 반복적으로 측정된 공진 주파수의 플롯이고;
도 12는 실험적으로 도출된 다수의 반복적인 측정치들의 세트에 대한 공진의 공진 주파수 및 공진의 선폭의 산점도(scatter plot)이고;
도 13은 실험적으로 도출된 다수의 반복적인 측정치들의 세트의 정규화된 시프트(normalised shift)에 대한 점유 확률(Probability of Occupation)의 플롯이고;
도 14는 기록된 모드 시프트들의 시퀀스에 대한, 실험적인 측정으로부터 도출된 정규화된 자기상관 함수의 플롯이고;
도 15는 측정 레이저(26)의 3가지 출력의 측정된 상관 함수의 상응하는 붕괴 상수에 대한 계산된 평균 견고성 파라미터의 플롯이다.
도 1은 개방형 광학 캐비티의 단면도이고;
도 2는 확장된 개방형 광학 캐비티의 개략적인 사시도이고;
도 3은 도 1에 도시된 유형의 광학 캐비티를 다수 포함하는 장치의 개략적인 평면도이고;
도 4는 도 3에 도시된 유형의 장치의 기판의 주사형 전자 현미경 이미지이고;
도 5는 도 1에 도시된 유형의 광학 캐비티의 시뮬레이션의 단면 이미지이고;
도 6은 나노입자의 존재시의 위치의 함수로서 도 2에 도시된 유형의 광학 캐비티의 경우의 대역단(band edge)의 에너지의 플롯(plot)이고;
도 7은 입자를 특성화하는 방법의 흐름도이고;
도 8은 방법을 수행하기 위한 시스템의 개략도이고;
도 9는 2회의 상이한 동조 주사에 걸쳐 실험적으로 도출된 시스템의 측정 검출기의 출력의 2개의 트레이스(trace)의 플롯이고;
도 10 및 도 11은 시간에 걸쳐 반복적으로 측정된 공진 주파수의 플롯이고;
도 12는 실험적으로 도출된 다수의 반복적인 측정치들의 세트에 대한 공진의 공진 주파수 및 공진의 선폭의 산점도(scatter plot)이고;
도 13은 실험적으로 도출된 다수의 반복적인 측정치들의 세트의 정규화된 시프트(normalised shift)에 대한 점유 확률(Probability of Occupation)의 플롯이고;
도 14는 기록된 모드 시프트들의 시퀀스에 대한, 실험적인 측정으로부터 도출된 정규화된 자기상관 함수의 플롯이고;
도 15는 측정 레이저(26)의 3가지 출력의 측정된 상관 함수의 상응하는 붕괴 상수에 대한 계산된 평균 견고성 파라미터의 플롯이다.
본 명세서에서 설명되는 방법에 있어서, 사용되는 광은, 자외광(본 명세서에는, 10 ㎚ 내지 380 ㎚ 범위의 파장을 갖는 것으로 규정될 수 있음); 가시광(본 명세서에는, 380 ㎚ 내지 740 ㎚ 범위의 파장을 갖는 것으로 규정될 수 있음), 적외광(본 명세서에는, 740 ㎚ 내지 300 ㎛ 범위의 파장을 갖는 것으로 규정될 수 있음)일 수 있다. 광은 파장들의 혼합일 수 있다. 본 명세서에서, '광학의(optical)' 및 '광학(optics)'이라는 용어는 일반적으로 방법이 적용되는 광을 의미하는 데 사용된다.
본 명세서에서 설명되는 방법에 있어서, 입자는 하기의 유형들로 이루어질 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법은 관심 대상인 임의의 유형의 분극성 입자에 적용될 수 있다. 원칙적으로, 분극성인 임의의 입자가 공진에 영향을 미치고, 그에 따른 응답을 제공할 수 있지만, 분극률의 정도는 응답의 크기에 영향을 미칠 수 있다.
입자는, 광학 캐비티가 입자를 수용하기에 충분한 사이즈로 이루어질 필요가 있다는 전제하에, 임의의 사이즈로 이루어질 수 있다. 이러한 사이즈 제약은 상대적으로 큰 입자를 상대적으로 작은 광학 캐비티를 사용해서 특성화하는 것을 방지할 수 있다.
입자는 수 나노미터, 수십 나노미터 또는 수백 나노미터 정도의 평균 치수를 갖는 나노입자일 수 있다. 많은 유용한 응용 분야에 있어서, 특히 생명 과학 및 보안 응융 분야에서는, 입자가 30 ㎚ 내지 300 ㎚ 범위의 평균 치수를 가질 수 있다. 그러나, 이는 제한적이지 않으며, 입자는 수 마이크로미터 정도 또는 그보다 큰 평균 치수를 갖는 입자를 포함하여, 보다 커질 수 있다.
입자는 분자 또는 분자들의 집합일 수 있다. 이러한 분자는 비-생화학 분자, 예를 들어 화학 촉매일 수 있다. 이러한 분자는 생화학 분자, 예를 들어 단백질, 바이러스 또는 엑소좀일 수 있다.
입자는, 화학 또는 생화학 결합 자리(binding site)일 수 있는, 다른 입자에 대한 결합 자리를 가질 수 있다. 이러한 방법은, 반응에 있어서 입자의 변화하는 성질을 모니터링 및 특성화하기 위해 화학 또는 생화학 반응 동안 수행될 수 있다.
다른 특성화 방법들이 본 방법과 병행하여 수행될 수 있다. 이러한 다른 특성화 방법은 분광 방법일 수 있다. 이러한 다른 특성화 방법은, 예를 들어, 형광, 라만(Raman) 산란 또는 공진 에너지 전달을 사용하는 방법일 수 있다.
방법은 입자의 특성이 관심 대상인 임의의 응용 분야에서 입자를 특성화하기 위해 적용될 수 있으며, 광범위한 응용 분야가 제공된다. 일부 비제한적인 실시예로서는, 바이러스 또는 에어로졸과 같은 입자의 검출 및 식별; 입자 표면에서 발생할 수 있는 결합 현상 및 촉매 작용과 같은 화학 반응의 연구; 및 시간에 따른 입자의 변화에 대한 연구가 있다.
본 명세서에서 설명되는 방법에 있어서, 유체는 입자를 운반할 수 있는 임의의 유형으로 이루어질 수 있다. 입자는 현탁액 내의 입자일 수 있다.
유체는, 제한 없이, 물 또는 수용액일 수 있거나, 또는 비-수용액일 수 있다.
본 발명의 방법은 유체를 사이에 수용하는 대향된 광학 반사체들을 포함하는 개방형 광학 캐비티를 사용한다.
광학 캐비티는 "개방형 액세스 마이크로캐비티(open access microcavity)"일 수 있다. 이러한 마이크로캐비티는, 최근 몇 년간, 증가하고 있는 연구 대상이며, 개방형 캐비티를 사용하는 몇몇 기본적인 감지 방법이 입증되고 있다. 이러한 캐비티는, 최대 전계 강도의 영역을 통해 유체를 유동시키는 능력 및 외부 자유-공간 또는 섬유 광학에 대한 손쉬운 결합을 포함하여, 감지에 대한 많은 장점을 제공한다. 또한, 이들 캐비티는 정량적인 측정을 위한 전제 조건인 높은 수준의 재현성으로 제조될 수 있다.
광학 캐비티는 최대 100 ㎛, 바람직하게는 최대 50 ㎛의 캐비티 길이를 가질 수 있다.
광학 모드의 측방향 구속 및 분리를 제공하기 위해, 반사체들 중 적어도 하나는 2개의 직교 차원에서 오목할 수 있다. 캐비티 길이는 오목한 반사체의 곡률 반경보다 짧을 수 있다. 이러한 광학 캐비티는, 캐비티 길이가 오목한 반사체의 곡률 반경보다 짧은 경우, 3개의 공간 차원 모두에서 구속되는 안정적인 광학 모드를 제공한다. 반사체들 중 오목한 적어도 하나의 반사체는 2개의 직교 차원에서 최대 50 ㎛의 곡률 반경을 가질 수 있다.
개방형 광학 캐비티는 WO 2013/164642에 개시된 유형으로 이루어질 수 있다.
유리하게는, 광학 캐비티는 10 ㎛3의, 예를 들어 1 ㎛3 정도의, 또는 그 이하의 광학 모드 용적을 가질 수 있거나, 및/또는 광학 캐비티는 100 이상의 피네스(finesse), 또는 바람직하게는 1,000 이상의 피네스를 가질 수 있다. 이러한 모드 용적 및 피네스를 가진 광학 캐비티를 실현하면, 개개의 입자로부터의 교란을 검출할 수 있어, 입자의 특성화가 가능해진다.
대안으로서, 반사체들이 모두 평면형일 수 있다. 이 경우, 캐비티 길이는 100 ㎛에서 수백 나노미터에 이르는 범위, 즉 단일의 앤티-노드 한계(anti-node limit)일 수 있다. 이 구성에 있어서, 광학 모드는 반사체들 사이에서 연장되는 차원에 구속되지만, 그에 수직한 차원들에서는 구속되지 않으며, 횡방향으로 전파할 수 있다. 수백 ㎛2까지의 영역이 연구되어, 다중화를 대폭 증가시킬 수 있다.
본 발명의 방법에서 사용될 수 있는 개방형 광학 캐비티(1)의 실시예들이 도 1 및 도 2에 도시되며, 다음과 같이 배치된다.
도 1 및 도 2의 실시예들 모두에 있어서, 광학 캐비티(1)는 대향된 광학 반사체(2, 3)를 포함한다. 반사체(2, 3)는 각각의 기판(4, 5) 상에 형성되는 유전성 브래그(Bragg) 반사체이지만, 원칙적으로 다른 형태의 반사체가 사용될 수도 있다. 기판(4, 5)은 광학 캐비티(1)를 광으로 조명할 수 있게 할 만큼 충분히 투명하다.
도 1의 실시예에 있어서는, 하나의 반사체(2)가 평면형이고, 다른 반사체(3)가 만곡되므로, 광학 캐비티(1)가 광학 모드(6)를 구속한다. 그에 반해, 도 2의 실시예에서는, 두 반사체(2 및 3)가 모두 평면형이다.
도 1 및 도 2의 실시예들 모두에 있어서, 반사체(2, 3)는 기판들(4, 5)을 서로에 대하여 이동시킴으로써, 상대적으로 이동 가능할 수 있다. 광학 캐비티(1)는 대향된 광학 반사체들(2, 3) 사이에 접근이 가능하도록 개방된다. 사용시에, 광학 캐비티(1)는 유체 공학 시스템을 사용해서 광학 캐비티(1)에 유입될 수 있는 유체(7)를 포함한다. 유체(7)는 도 1 및 도 2에서 개략적으로 도시된 바와 같은 입자(8)를 포함할 수 있다. 유체(7)는 입자(8)를 상대적으로 낮은 농도로 포함할 수 있다. 작은 사이즈의 광학 캐비티(1)가 주어지면, 개개의 입자(8)는 광학 캐비티(1)에 한 번에 도입될 수 있다.
본 발명의 방법들은, 대향된 광학 반사체들을 각각 포함하며, 예를 들어 각각 도 1에 도시된 바와 같은 광학 캐비티(1)일 수 있는 복수의 광학 캐비티(1)로 이루어진 어레이를 포함하는 장치(10)에 적용될 수 있다. 이는, 광학 캐비티(1)들이 모두 동시에, 예를 들어 동일한 광원으로부터의 광으로 조명되는 상태에서, 개개의 입자(8)가 상이한 각각의 광학 캐비티(1)에 도입될 수 있게 한다. 따라서, 입자를 포함하는 광학 캐비티들의 광학 모드의 공진은 각각의 입자에 의해 영향을 받는다. 이는 입자(8)들의 모집단에 관한 정보를 제공하는 병렬 측정치들이 도출될 수 있게 한다. 동시 조명을 위해, 동일한 광원으로부터의 광은 종래의 빔 스플리터를 사용해서 분할되어 서로 다른 광학 캐비티(1)로 지향될 수 있다. 원칙적으로, 서로 다른 광학 캐비티(1)들을 조명하기 위해 충분히 넓은 빔을 갖는 광원을 대안으로 사용할 수 있지만, 이는 각각의 광학 캐비티(1)에 충분한 전력의 광을 제공하는 데 필요한 광원의 전력 요건을 증가시킨다.
장치가 복수의 광학 캐비티(1)로 이루어진 어레이를 포함하는 경우, 복수의 광학 캐비티(1)의 대향된 광학 반사체들은 공통의 대향된 기판(4, 5) 상에 형성될 수 있다.
대안으로서, 본 발명의 방법들은, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같은 광학 캐비티(1)일 수 있는 단일의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)에 적용될 수 있다. 이는, 광학 캐비티(1)의 영역이, 예를 들어 동일한 광원으로부터의 평면파 레이저 광으로 동시에 조명되는 상태에서, 복수의 입자(8)가 광학 캐비티(1)에 도입될 수 있게 한다. 따라서, 개개의 입자에 의해 영향을 받는 개개의 입자 주위의 국부화된 영역들에서 광학 캐비티의 광학 모드의 공진이 여기될 수 있고, 상기 국부화된 영역들에 대하여 여기된 공진의 측정치가 도출될 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이 복수의 광학 캐비티(8)를 사용하는 경우와 유사하게, 입자(8)들의 모집단에 관한 정보를 제공하는 병렬 측정치들이 도출될 수 있게 한다. 동시 조명을 위해, 동일한 광원으로부터의 광은 종래의 광학 구성요소, 예를 들어 빔 스플리터를 사용해서 분할 또는 확장되어, 광학 캐비티(8)의 서로 다른 영역들로 지향될 수 있다. 원칙적으로, 광학 캐비티(1)의 연장된 영역을 조명하기 위해 충분히 넓은 빔을 갖는 광원을 대안으로 사용할 수 있다.
검출기는, 복수의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)의 경우에는, 각각의 광학 캐비티(1)로부터의 출력 광을 함께 검출할 수 있거나, 또는 복수의 입자(8)가 도입되는 단일의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)의 경우에는, 서로 다른 국부화된 영역들로부터의 출력 광을 함께 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기는 서로 다른 국부화된 영역들을 개별적으로 검출하기 위해 충분한 공간 분해능을 갖는 광학 캐비티(1)의 연장된 영역으로부터의 광을 검출하는 이미징 센서일 수 있다. 이는, 서로 다른 국부화된 영역들에서의 공진이 입자(8)의 이동에 따라 검출 및 추적될 수 있게 한다.
복수의 광학 캐비티(1)의 어레이를 포함하는 장치(10)에 있어서는, 광학 캐비티(1)들이 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다. 유사하게, 복수의 입자(8)가 도입되는 단일의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)에 있어서는, 광학 캐비티(1)가 서로 다른 영역들에서 서로 다른 공진 주파수를 가질 수 있다.
서로 다른 공진 주파수들은, 공진 주파수를 변경하기 위해 반사체들의 설계를 변경함으로써, 예를 들면 캐비티 길이를 변경함으로써(예를 들어, 반사체들을 오프셋시키는 것에 의함) 및/또는 동일한 장치(10)에 복수의 광학 캐비티(1)가 형성되는 경우에는 곡률 반경들을 변경함으로써 달성될 수 있다.
또한, 서로 다른 공진 주파수들은 기판들(4, 5)을 상대적으로 경사지게 함으로써 달성될 수도 있으며, 이 경우 반사체들은 0이 아닌 각도로 형성되어 캐비티 길이를 경사진 기판(4, 5)을 따라 변경시킨다. 이는 복수의 광학 캐비티(1)의 어레이를 포함하는 장치(10)에, 또는 복수의 입자(8)가 도입되는 단일의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)에 적용될 수 있다.
서로 다른 공진 주파수를 갖게 되는 결과로서, 각각의 광학 캐비티(1)로부터의, 또는 광학 캐비티(1)의 서로 다른 국부화된 영역들로부터의 출력 광이 검출기에 의해 함께 검출될 수 있지만, 광학 캐비티(1)들의 광학 모드의 서로 다른 공진 주파수로 여기된 공진들은 분리되어 서로 구별될 수 있다. 따라서, 서로 다른 공진 주파수를 갖는 광학 캐비티(1)의 사용은 주파수(또는 파장) 도메인에서, 서로 다른 광학 캐비티(1)들의, 또는 광학 캐비티(1)의 서로 다른 국부화된 영역들의 공간 분해능을 제공한다.
그러나, 대안으로서, 각각의 광학 캐비티(1)로부터의 출력 광은, 예를 들어 해당 출력 광을 복수의 개별 검출기들로 지향시킴으로써, 또는 각각의 광학 캐비티(1)로부터의 출력 광을 공간 분해할 수 있는 이미징 검출기를 사용함으로써, 개별적으로 검출될 수 있다. 그 경우, 동일한 공진 주파수를 갖는 복수의 광학 캐비티(1)의 어레이, 또는 복수의 입자(8)가 도입되는 광학 캐비티(1)를 사용할 수 있다.
도 3은, 하기와 같이 배치되는, 도 1에 도시된 유형의 복수의 광학 캐비티(1)를 포함하는 장치(10)의 실시예를 도시한다. 이 실시예에 있어서는, 16개의 광학 캐비티(1)가 존재하지만, 일반적으로 임의의 수의 광학 캐비티(1)가 제공될 수 있다. 장치(10)는, 도 1의 실시예와 유사하지만, 반사체(2, 3)의 각각의 어레이를 포함해서 공통 기판(4, 5) 사이에 복수의 광학 캐비티(1)를 형성하는 각각의 기판(4, 5)을 포함한다. 도 3에서는, 광학 캐비티(1)들의 위치들이 점선으로 예시되지만, 기판(4, 5) 사이에 형성되는 것이다.
도 4는 도 3에 도시된 유형의 장치(10)의 기판(5)의 주사형 전자 현미경 이미지이다. 도 4는 오목한 반사체(3)들의 어레이를 도시한다. 이 실시예에 있어서, 오목한 반사체(3)들은 약 4 ㎛의 곡률 반경(Radius of Curvature (RoC))을 갖는다(아래에서 논의되는 변형예에 따름). 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)로서 인용되는 2개의 광학 캐비티(1)가 원으로 표시되고 후술되는 바와 같이 사용된다.
도 4에 도시된 기판(5)을 사용하여 형성된 장치(10)에 있어서, 광학 캐비티(1)들로 이루어진 각 행의 광학 캐비티(1)들은 서로 다른 곡률 반경을 갖지만, 각 행 내의 광학 캐비티(1)들은 동일한 곡률 반경을 갖는다. 후술하는 바와 같이, 이 장치(1)에서는 행들을 따라 0이 아닌 각도로 상대적으로 경사지는 기판(4, 5)이 선택적으로 사용되어, 각 행을 따라 캐비티 길이 및 그로 인한 공진 주파수를 변경시킬 수 있다.
도 4에 도시된 기판(5) 및 도 3에 도시된 유형의 장치(10)의 상응하는 기판(4)은 다음과 같이 형성되었다. 그 표면 형태를 나노미터 크기로 제어하기 위해 집속 이온 빔(Focused Ion Beam (FIB))을 사용해서 기판(5)에 오목부들이 형성되었다. 기판(4)은 평면형이었다. 반사체(2, 3)는, 미러 내로의 전계 침투를 최소화하기 위해 마지막 층의 경우에는 높은 굴절률을 갖는 16 층의 SiO2/TiO2로 구성된 유전성 브래그 반사체(Dielectric Bragg Reflector (DBR))의 적층체로 기판(4, 5)을 코팅함으로써 형성되었다. 반사체(2, 3)의 층 두께는 640 ㎚의 파장에서 최대 반사율을 제공하도록 설계되었다. 오목한 반사체(2)들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 변의 길이가 300 ㎛인 대략 정사각형의 기판 상에 위치되었다.
기판(4)을 기판(5)에 대향되게 정렬함으로써, 1 ㎛ 정도의 캐비티 길이로 광학 캐비티(1)들이 형성되었다. 이 캐비티 길이에서, 기판(4, 5) 상의 반사체(2, 3)의 평면 부분들은 입자(8)들이 광학 캐비티(1) 내로 확산할 수 있게 하는 충분한 공간을 제공하는 대략 400 ㎚ 만큼 이간된다.
이 캐비티 길이에 의하면, 구속되는 광학 모드는 반사체들 사이에 4개의 앤티노드(전계 강도 최대치)를 갖는다. 도 5는 광학 캐비티(1)의 TEM00 광학 모드의 FDTD (유한 차이 시간 도메인(finite-difference time-domain)) 시뮬레이션을 도시한다(여기서, TEM은 횡방향 전자기를 의미하고, 00은 모드의 순서가 최하위의 기본 모드임을 나타냄). 도 5는 굴절률의 음영 맵(shaded map) 상에 중첩되는, 전계 강도 분포를 수직 단면으로 예시한다. 4개의 앤티노드(12)는 1부터 4까지 번호가 부여된다. 입자(8)는 4개의 앤티노드(12) 중 어느 하나의 내에 광학적으로 포획될 수 있다. 도 5에 있어서, 입자(8)는 예시의 목적상 200 ㎚의 직경을 갖는다.
광학 캐비티(1)는 약 730 ㎚의 모드 웨이스트(mode waist)를 가지고 약 0.3 ㎛3의 모드 용적을 갖는다. 광학 캐비티(1)의 선질 계수(quality factor)(Q)는 18,000(피네스 3,000에 대응)으로 측정되었다.
대안적인 구성에 있어서, 장치(10)는 연장된 범위를 갖는, 도 2에 도시된 바와 같이 평면인 반사체(2 및 3)에 의해 형성될 수 있다. 이는, 본 명세서에서는, "연장된 평면 구성(extended planar configuration)"을 갖는 장치(10)로서 인용될 것이다. 연장된 평면 구성에 있어서, 평면 모드의 에너지들은 각각의 에너지가 상이한 횡방향 모멘텀(kt)에 대응하는 연속체(continuum)를 형성한다. 이 연속체의 최하위 에너지(E0)는 횡방향으로 전파되지 않아서 횡방향 모멘텀(kt)이 없다. 입자(8)의 존재와 같은 임의의 외란은 모드들을 국부화하고, 도 6에 도시된 바와 같이, 광학 캐비티(1)의 국부화된 영역에서 공진 모드 시프트를 갖는 공진을 유발한다. 달리 말하면, 입자(8)에 의해 야기되는 광학 매질의 외란은 국부적인 대역 굴곡을 생성한다.
결과적으로, 개개의 입자(8) 주위의 국부화된 영역에서 캐비티(1)에 수직하게 출력 광을 측정함으로써 에너지(E0)에서 모드의 공진 시프트를 측정할 수 있으며, 전술한 방법과 동일하게 입자(8)의 성질을 추론할 수 있다. 따라서, 이 대안적인 구성에서 개개의 입자(8) 주위의 국부화된 영역들은 도 3의 장치에서의 복수의 광학 캐비티(1)들과 기능적으로 동등하고 동일한 방식으로 사용될 수 있다. 이 접근방법은 동시에 측정될 수 있는 입자(8)의 수를 증가시키는 데 관심이 있다. 이 대안적인 구성은 입자(8)들을 길이방향으로 포획하기 위해 사용될 수도 있다.
입자(8)로서 검출 및 추적되는 서로 다른 국부화된 영역들에서의 공진은, 예를 들어 광학 캐비티(1)의 연장된 영역으로부터의 광을 공간적으로 분해하는 이미징 센서인 검출기를 사용함으로써 이동된다.
입자를 특성화하기 위해 광학 캐비티(1)를 사용하는 방법은 도 7에 도시되며 다음과 같이 수행된다. 방법은 단일의 광학 캐비티(1)에 도입되는 개개의 입자(8)를 참조하여 설명되지만, 예를 들어 도 3에 도시된 장치(10)를 사용해서 복수의 광학 캐비티(1)에 도입되는 개개의 입자(8)에 대하여, 또는 예를 들어, 연장된 평면 구성을 갖는 장치(10)를 사용해서 단일의 광학 캐비티(1)에 도입되는 복수의 입자(8)에 대하여 균등하게 수행될 수 있다.
단계 S1에서, 개개의 입자(8)가 광학 캐비티(1)에 도입된다.
단계 S2에서, 입자(8)를 포함하는 광학 캐비티는 광학 캐비티(1)의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 조명된다. 광은 레이저로부터의 광일 수 있다.
단계 S3에서, 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 측정치가 도출된다. 광학 캐비티(1)에서의 입자(8)의 존재는 입자(8)와 주위 유체(7) 사이의 굴절률의 차이의 결과로서 공진을 교란시킨다. 따라서, 측정은 입자(8)의 분극률 및 광학 캐비티(1) 내에서의 그 위치에 의존하고, 그에 따라 광학 캐비티(1)에서 입자(8)를 고유하게 특성화한다.
단계 S3에서, 입자(8)는 광학 캐비티(1) 내에서 광학적으로 포획될 수 있다. 그 경우, 입자(8)는 광학 캐비티(1)의 전위 우물(potential well) 내에 유지되고, 여기서 광학 모드 내에서의 그 위치가 시간에 따라 변하도록 브라운 운동을 한다. 이것은, 측정이 광학 캐비티(1) 내에서의 입자(8)의 위치에 의존하고 입자(8)가 포획 전위 내에서 확산함에 따라 입자(8)와 광학 모드 사이의 상호작용에 관한 정보를 제공하기 때문에 유리하다.
입자(8)가 유체 환경 내의 구속되는 광학계에 포획됨에 따라, 입자가 표면들과 접촉하지 않으며, 그 성질에 대한 최소한의 교란으로 입자(8)의 확장된 연구가 가능하다. 광학적 포획은 낮은 광 출력으로 작동하여, 입자(8)의 가열이 최소화된다. 이러한 특징은, 생명 과학에서 흔히 있는 것처럼, 포획된 입자(8)가 그 국부적인 환경에 매우 민감할 수 있는 경우에 특히 유용하다.
광학적 포획은 유리하지만 필수적인 것은 아니다. 대안으로서, 방법은, 입자(8)가 광학 캐비티(1)를 통과할 때 측정치가 도출되도록 입자(8)가 포획되지 않는 광학 캐비티(1)에 적용될 수 있다.
적어도 하나의 파라미터는 공진의 임의의 파라미터일 수 있다. 적어도 하나의 파라미터는 공진의 공진 주파수, 위상, 진폭 또는 선폭을 제한 없이 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 파라미터는 분극화 축퇴(polarization degeneracy)가 해제된 모드에서의 공진의 공진 주파수, 위상, 진폭, 폭, 또는 그 밖의 파라미터일 수 있다.
단계 S4에서 도출된 파라미터의 몇몇 특정 실시예 및 추가적인 처리가 아래에서 설명된다.
단일의 광학 캐비티(8)에 도입된 복수의 입자(8)에 대하여 방법이 수행되는 경우, 단계 S1은 복수의 입자(8)를 광학 캐비티(1)에 도입시키도록 수정되고, 단계 S2는 개개의 입자(8)에 의해 영향을 받는 개개의 입자(8) 주위의 국부화된 영역에서 광학 캐비티(1)의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 광학 캐비티(1)를 조명하도록 수정되고, 단계 S3은 국부화된 영역에 대하여 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 측정치를 취하도록 수정된다. 그러나, 그 외에는 방법은 동일하다.
서로 다른 공진 주파수를 갖는 복수의 광학 캐비티(1)가 사용되거나, 또는 서로 다른 공진 주파수를 갖는 국부화된 영역들에서 복수의 공진이 검출되는 경우, 공진들은 주파수(및 그에 따라 파장)로 분리된다. 이 분리는 각각의 공진에 대하여 및 그에 따른 각각의 입자(8)에 대하여 적어도 하나의 파라미터가 도출될 수 있게 함으로써 광학 캐비티(1)의 공간 분해능을 제공한다.
단계 S4에서, 단계 S3에서 도출된 측정치는 입자(8)를 특성화하는 추가적인 정보를 도출하기 위해 선택적으로 처리될 수 있다.
이제, 이러한 유형의 방법을 수행하는 시스템(20)의 실시예를 설명한다. 시스템(20)은, 도 3에 도시된 바와 같이 복수의 광학 캐비티(1)를 갖는 전술한 바와 같은 장치(10), 또는 연장된 평면 구성을 갖는 장치(10)를 포함하여, 본 명세서에서 설명되는 임의의 유형의 장치(10)를 포함할 수 있다.
장치(10)는 광학 측정이 수행되는 동안 반사체들 사이에 입자(8)를 포함하는 유체(7)의 주입을 허용하는 유동 셀 조립체(21) 내에 위치된다. 유동 셀 조립체(21)는 베이스(22) 및 캡(23)을 포함한다. 기판(5)은 베이스(22)에 장착되고 기판(4)은 캡(23)에 장착된다. 베이스(22) 및 캡(23)은 함께 고정되고 주연 밀봉부(19)에 의해 밀봉되어서, 기판(4, 5) 사이에 광학 캐비티(1)가 형성된다.
또한, 베이스(22)는 유체 공학 시스템(도시되지 않음)을 사용해서 기판(4, 5) 사이에 유체(7)를 통과시키기 위한 유체 유입구(24) 및 유체 유출구(25)를 포함한다.
이 실시형태에 있어서, 베이스(22) 및 캡(23)과, 그에 따른 기판(4, 5)은 상대적으로 이동해서 광학 캐비티(1)의 캐비티 길이를 변화시킬 수 있다. 측정 액추에이터(30) 및 제어 액추에이터(31)는 베이스(22) 및 캡(23)과, 그에 따른 기판(4, 5)을 상대적으로 이동시키도록 배치된다. 측정 액추에이터(30)는 AC 주파수에서 구동되는 압전 액추에이터이고, 제어 액추에이터(31)는 DC 주파수에서 구동되는 압전 액추에이터이다.
기판(4, 5)은 투명하고, 베이스(22) 및 캡(23)은 장치(10)를 통한, 특히 유동 셀 조립체(21) 내부에서 광학 캐비티(1)를 통한 광의 통과를 허용하도록 기판(4, 5)과 정렬되는 중심 개구를 갖는다.
측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)는 각각 장치(10)를 조명하도록 배치된다. 측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)로부터의 출력 광은 도 8에서 서로 다른 경로로 개략적으로 도시되지만, 실제로 측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)로부터의 광은 모두 장치(10)를 통과한다.
측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)는 상이한 주파수의 광을 방출한다. 이 실시예에 있어서, 측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)는 각각 단일 주파수의 광을 방출하는 협대역 광원이다. 예를 들어, 측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)는 5 ㎒ 선폭을 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 측정 레이저(26) 및 제어 레이저(27)는 150 ㎽의 최대 전력 출력을 갖는다.
측정 레이저(26)는 장치(10) 내의 복수의 광학 캐비티(1), 또는 동일 광학 캐비티(1)의 복수의 영역을 동시에 조명하도록 배치된다. 특히, 측정 레이저(26)로부터의 광은 빔 스플리터(36)에 의해 분할되어 복수의 광학 캐비티(1)(반드시 장치(10) 내의 모든 광학 캐비티(1)일 필요는 없음)로, 또는 동일 광학 캐비티(1)의 복수의 영역(반드시 그 영역 전체에 걸칠 필요는 없음)으로 지향된다. 핌 스플리터(36)는 원칙적으로, 복수의 광학 캐비티(1)를 조명할 만큼 충분히 넓지만 측정 레이저(26)의 전력 요건을 충분히 증가시키는 단일 빔으로 측정 레이저(26)로부터 광을 출력함으로써 생략될 수 있다.
측정 레이저(26)는 광학 캐비티(1)들의 광학 모드의, 또는 개개의 입자(8) 주위의 광학 캐비티(1)의 국부화된 영역들의 공진을 여기시키도록 선택되는 주파수를 갖는다. 예를 들어, 시스템(20)에 있어서, 측정 레이저(26)는 광학 캐비티(1)의 TEM00 광학 모드를 여기시키기 위해 640 ㎚의 광을 방출할 수 있다. 연장된 평면 구성을 갖는 장치(10)의 경우에는, 평면 모드들의 연속체의 일 유형의 모드만을 처리하기 위해 캐비티(1) 상으로의 평면파 입사에 의해 이상적인 결합이 행해지게 된다.
도 8의 좌측 및 우측에 측정 루프 및 제어 루프가 도시되며 다음과 같이 배치된다.
측정 검출기(28) 및 제어 검출기(29)는 장치(10)를 통과하는 광을 수용하도록 배치되어 있지만, 대안으로서 이들은 장치(10)로부터 반사된 광을 수용하도록 배치될 수도 있다.
측정 검출기(28)는 측정 레이저(26)의 파장으로 광학 캐비티(1)들로부터, 또는 광학 캐비티(1)의 국부화된 영역들로부터 출력되는 광을 검출한다. 측정 검출기(28)는 모든 조명된 광학 캐비티(1)들로부터 함께, 또는 광학 캐비티(1)의 모든 국부화된 영역들로부터 함께 출력되는 광을 검출할 수 있다. 이 경우, 측정 검출기(28)는, 예를 들어 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode (APD))일 수 있다.
대안으로서, 측정 검출기(28)는, 예를 들어 별개의 APD들과 같은, 또는 각각의 조명된 광학 캐비티(1)로부터의 또는 서로 다른 국부화된 영역들을 포함하는 광학 캐비티(1)의 연장된 영역으로부터의 출력 광을 공간 분해할 수 있는 이미징 센서와 같은 상이한 검출기 요소들에 의해 형성됨으로써, 서로 다른 조명된 광학 캐비티(1)들로부터 개별적으로, 또는 광학 캐비티(1)의 서로 다른 국부화된 영역들로부터 개별적으로 출력되는 광을 검출할 수 있다. 서로 다른 국부화된 영역들을 포함하는 광학 캐비티(1)의 연장된 영역을 공간적으로 분해하는 이러한 검출기를 사용하면, 입자(8)가 이동함에 따라 검출 및 추적될 입자(8) 주위의 서로 다른 국부화된 영역들에서의 공진이 가능해진다.
측정 검출기(28)의 출력은 오실로스코프(35)에 의해 기록될 수 있다.
단계 S2에서의 조명 동안, 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들은 다음과 같이 공진을 통해 동조된다. 이 실시예에 있어서는, 측정 액추에이터(30)를 사용해서 기판(4, 5)을 상대적으로 이동시킴으로써 동조가 수행된다. 캐비티 길이는 측정 검출기(28)의 출력의 시간 축선이 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들에서 측정 레이저(26)로부터의 광에 대한 상대적인 평균 파장으로 교정될 수 있게 하기 위해 선형적으로 변화될 수 있다. 측정 검출기(28)의 출력은 전체 공진 형상을 도출하기 위해 동조 동안 검출된다.
신호 발생기(32)는 측정 액추에이터(30)에, 예를 들어 톱니 형태의 적절한 AC 구동 신호를 제공한다. 기판(4, 5)의 상대적인 이동은 측정 레이저(26)의 파장에서 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들의 공진을 통해 캐비티 길이를 조정한다. 공진을 통한 동조는 연속적인 주사에서 반복적으로 수행된다. 또한, 신호 발생기(32)는 오실로스코프(35)의 시간 스위프(time sweep)를 위한 트리거를 제공한다.
반복적인 동조 주사들의 주사 주파수는 적어도 100 ㎐, 바람직하게는 적어도 1 ㎑일 수 있다. 바람직하게는, 주사 주파수는 2회의 측정 사이의 입자(8)의 자유 확산 길이가 캐비티 모드의 특성 길이 및 입자(8)의 확산 길이보다 매우 짧아서 캐비티-내 전력이 시간적으로 계속되는 것으로 간주될 수 있을 만큼 충분히 높다.
측정 검출기(28)의 응답 시간은 동조 주사 동안 취해지는 측정들을 분해하기에 충분히 짧다. 예를 들어, 응답 시간은 각각의 동조 주사에 대한 상세한 응답 기능을 제공하기 위해 1 나노초 미만일 수 있다.
각각의 주사 동안, 측정 검출기(28)에 의해 취해지는 강도의 측정치들은 오실로스코프(35) 상에 기록된다. 오실로스코프(35) 및/또는 데이터 프로세서는 데이터 프로세서에서 데이터의 연산 분석이 가능하도록 측정치들을 시간 정보로 태깅할 수 있다.
오실로스코프(35) 상에 기록된 측정치들은 데이터 프로세서(40)에 의해 처리된다. 데이터 프로세서(40)는 컴퓨터 장치에서 구현될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 컴퓨터 장치에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은, 실행시에, 컴퓨터 장치로 하여금 데이터를 처리하게 하도록 구성된다.
컴퓨터 장치는 임의의 유형의 컴퓨터 시스템일 수 있지만, 통상적으로 종래의 구조로 이루어진다. 컴퓨터 프로그램은 임의의 적절한 프로그래밍 언어로 기입될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은, 임의의 유형, 예를 들어 컴퓨팅 시스템의 드라이브에 삽입 가능하며 정보를 자기식으로, 광학식으로 또는 광-자기식으로 저장할 수 있는 기록 매체; 하드 드라이브와 같은 컴퓨터 시스템의 고정식 기록 매체; 또는 컴퓨터 메모리로 이루어질 수 있는 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 저장될 수 있다.
단계 S3에서, 각각의 주사 동안, 강도의 측정은 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들이 주사되는 공진의 적어도 하나의 파라미터의 측정치를 도출하기 위해 데이터 프로세서(24)에 의해 처리된다. 따라서, 공진의 적어도 하나의 파라미터의 반복적인 측정치들은 반복적인 주사에서 공진을 통해 도출된다.
예를 들어, 파라미터가 공진 주파수인 경우에, 주사에 있어서 동조로 인해 공진 주파수에 대응하는 공진의 피크가 발생하는 시간을 결정함으로써 공진 주파수가 도출될 수 있다. 공진의 위상, 진폭 또는 선폭과 같은 다른 파라미터들이 유사하게 도출될 수 있다.
복수의 광학 캐비티(1)가 사용되는 경우, 하나 이상의 광학 캐비티(1)는 입자(8)가 도입되는 포획 캐비티(1a)로서 역할을 할 수 있다. 복수의 포획 캐비티(1a)가 존재하는 경우, 측정치들이 각각의 포획 캐비티(1a)로부터 병렬로 도출될 수 있고, 그에 따라 수집되는 데이터의 양이 증가된다.
복수의 광학 캐비티(1)가 사용되는 경우, 하나 이상의 광학 캐비티(1)는 입자(8)가 도입되지 않는 기준 캐비티(1b)로서 역할을 할 수 있다. 이는 하기의 방식들 중 몇 가지 방식으로 달성될 수 있다.
광학적 포획이 사용되는 경우의 실시형태에 있어서, 기준 캐비티(1b)는 광학적 포획에 필요한 임계치보다는 낮지만 측정 검출기(28)에서 명확한 신호를 제공하기에 충분히 높은 강도의 광으로 광학 캐비티(1)를 조명함으로써 제공될 수 있다.
원칙적으로, 기준 캐비티(1a)는 입자(8)가 특정 광학 캐비티(1)에 도달하는 것을 방지함으로써 제공될 수 있지만, 실제로는 달성하기 어렵다.
또한, 기준 캐비티(1b)는 공진이 교란되지 않는 어레이 내부의 광학 캐비티(1)를 기준 캐비티(1b)로서 취급함으로써 제공될 수도 있다.
기준 캐비티(1b)가 존재하는 경우, 각각의 포획 캐비티의 공진의 파라미터의 적어도 하나의 측정치는 포획 캐비티(1a)와 기준 캐비티(1b) 사이에서 취해지는 차동 측정치이다. 예를 들어, 공진 주파수를 파라미터로서 고려하면, 공진 주파수의 이러한 차동 측정치는 포획 캐비티(1a)의 공진 주파수와 기준 캐비티(1b)의 공진 주파수 사이의 차이이다. 도입되는 입자(8)가 없는 기준 캐비티(1b)에 비해 포획 캐비티(1a) 내의 입자(8)의 존재에 의해 야기되는 광학 모드의 공진 주파수의 시프트로서 고려될 수 있기 때문에, 공진 주파수의 이 차동 측정치를 본 명세서에서는 "모드 시프트(mode shift)"라고 한다.
이렇게 해서, 차동 측정치는 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b) 모두에 영향을 미치는 공통의 모드 노이즈를 보상할 수 있다. 기준 캐비티(1b)의 사용은 미러 분리를 변조하는 기계적 진동과 같이, 양 캐비티 모드에 영향을 미치는 임의의 공통의 모드 노이즈를 배제하는 유효한 방법을 제공한다.
노이즈 제거는 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)의 모드 파장이 매우 유사할 때 가장 효과적인데, 그 이유는 노이즈 제거의 대역폭이 2회의 투과 공진 사이의 시간차에 의해 결정되기 때문이다. 따라서, 공진의 동조는 노이즈 제거 대역폭을 증가시키기 위해 상대적으로 높은 주파수에서 주사되는 것이 바람직하다. 실제로, 시스템(20)에서 공진의 동조가 주사되는 속도는, 특히 압전 액추에이터로 형성되는 경우의 측정 액추에이터(30)의 공진 주파수에 의해 제한될 수 있다. 압전 액추에이터 이외의, 기계식 캔틸레버와 같은 액추에이터는 보다 높은 공진 주파수를 제공할 수 있고, 그에 따라 노이즈 제거의 추가적인 향상을 달성한다.
유사하게, 복수의 입자(8)가 도입되는 단일의 캐비티(1)를 사용하는 경우, 입자(8) 주위의 각각의 국부화된 영역의 공진의 파라미터의 적어도 하나의 측정치는 입자 주위의 국부화된 영역과 입자(8)를 포함하지 않는 광학 캐비티(1)의 다른 영역 사이에서 취해지는 차동 측정치일 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수를 파라미터로서 고려하면, 공진 주파수의 이러한 차동 측정치는 입자(8) 주위의 영역의 공진 주파수와 입자(8)를 포함하지 않는 영역의 공진 주파수 사이의 차이이다. 입자(8)가 없는 영역에 비해 입자(8)의 존재에 의해 야기되는 광학 모드의 공진 주파수의 시프트로서 고려될 수 있기 때문에, 공진 주파수의 이 차동 측정치를 본 명세서에서는 "모드 시프트"라고 한다. 이는, 전술한 바와 같이, 포획 캐비티(1a)와 기준 캐비티(1b) 사이의 차동 측정치와 유사하고, 균등한 장점을 갖고 동일한 방식으로 수행될 수 있다.
따라서, 시스템(20)은 시간 도메인에서, 특히 반사체(2, 3)의 상대적인 모멘트에 의해 공진의 동조를 제공한다. 광학 캐비티(1)로부터 출력되는 광은 공진의 형상을 검출하도록 공진을 통한 동조 동안 검출되고, 그에 따라 공진의 파라미터를 측정하는 것이 가능해진다.
이 간단한 주사 능력은 개방형 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들의 사용에 의해 제공되고 입자(8)의 감지에 대한 상당한 장점을 제공한다. 시스템(20)은 구현하기 쉽고, 또한 고정식 주파수 측정 레이저(26) 및 예를 들어, 포토다이오드로서 간단한 형태의 측정 검출기(28)를 포함하는 복잡하지 않은 광학 구성으로 측정을 수행할 수 있게 한다. 광학 모드는 공진 상태일 때에만 조명되기 때문에, 그 강도는 동조의 주사 주파수에서 펄스화된다. 그럼에도 불구하고, 강도는 광학적 포획을 달성하기에 충분하다. 광학 모드는 항상 주사 사이클마다 한 번 레이저와의 공진을 통과할 것이기 때문에, 평균 포획 전위는 입자(8)의 위치에, 또는 레이저 및 광학 모드의 상대 파장을 제어하는 시스템의 능력에 의존하지 않는다.
그러나, 방법은, 예를 들어 다음과 같이, 공진의 파라미터의 측정을 제공하기 위해 다양한 방식으로 수정될 수 있다.
일 유형의 수정에 있어서, 시간 도메인에서 공진을 통한 동조는 다른 방식으로, 예를 들어 측정 레이저(26)에 의해 방출되는 광의 주파수를 변경하는 것에 의해 달성될 수 있다. 광학 캐비티(1)로부터 출력되는 광은 공진의 형상을 검출하도록 공진을 통한 동조 동안 다시 검출되고, 그에 따라 공진의 파라미터를 측정하는 것이 가능해진다. 공진의 적어도 하나의 파라미터는 전술한 것과 동일한 방식으로, 다만 측정 레이저(26)의 동조 주사를 통해 도출될 수 있다. 그러나, 이 수정은 보다 고비용의 레이저를 필요로 한다.
다른 유형의 수정에 있어서는, 광학 캐비티(1)들의 어레이에서의 하나의 캐비티(1)의 공진이 고정 파장 레이저에 고정되고, 해당 어레이에서의 다른 캐비티(1)들은 레이저로부터 약간 이조(detune)되는 고정된 공진을 갖는다. 이렇게 해서, 광학 캐비티(1)에 진입하는 입자(8)의 존재가 캐비티 모드를 레이저와의 공진으로 시프트시킬 수 있고, 그에 따라 캐비티(1)가 조명되고 검출기에 대한 신호가 생성된다. 캐비티 모드의 조명은 모드의 중심을 향해 입자(8)에 힘을 가한다. 입자(8)는, 입자(8)의 위치가 레이저와 캐비티 모드 사이에서 공진을 초래할 때에만 해당 모드가 조명되는 이 '자체유발 역동작(self-induced back action)' 힘에 의해 포획될 수 있다. 따라서, 이것이 발생할 경우 검출기(28)로부터의 출력은 공진의 파라미터를 나타낸다.
이 작동 방법은, 입자(8)를 다른 포획 방법들보다 낮은 평균 광 출력에 노출시키고, 캐비티 모드 또는 레이저 파장 중 어느 것도 주사할 필요가 없다는 장점을 갖는다. 검출기 신호의 타이밍은 입자(8) 및 그에 따른 입자(8)의 사이즈의 확산 역학에 대한 정보를 제공한다. 캐비티 길이를 고정 레이저 주파수에 고정하는 것은 주지의 기술을 이용해서 달성될 수 있다.
다른 유형의 수정에 있어서는, 측정 레이저(26)에 의해 방출되는 광이 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들의 공진을 가로질러 연장되는 대역폭을 갖는 광대역 광원이고, 그 경우 측정 검출기(28)는 스펙트럼 검출기로서 구현된다. 이 경우, 공진의 적어도 하나의 파라미터는 측정 검출기(28)의 스펙트럼 출력으로부터 도출될 수 있다.
측정 레이저(26)가 광학 캐비티(1) 또는 캐비티(1)들의 단일의 광학 모드의 공진을 여기시키는 것으로 위에서 설명되지만, 대안으로서, 동일 광학 캐비티(1)에서 2개 이상의 모드의 공진이 입자(8)에 관한 보다 상세한 정보를 제공하도록 모니터링될 수 있다. 이는 복수의 측정 레이저(26) 또는 광대역 측정 레이저(26)를 사용해서 달성될 수 있다.
광학 모드의 공진은 편광된 조명 광에 의해 제공되는 분극화된 전계를 가질 수 있다. 그 경우, 입자(8)의 형상은 입자(8)가 분극화의 방향에 대하여 회전할 때의 응답의 변화를 통해 특성화될 수 있다.
제어 검출기(29)는 제어 레이저(27)의 파장에서의 광을 검출하고, 표준 포토다이오드(PD)일 수 있다. 제어 검출기(29)에 의해 취해지는 강도의 측정치는 제어 액추에이터(31)를 구동하는 제어 신호를 생성하는 PID(비례-적분-미분) 제어기일 수 있는 피드백 제어기(33)에 공급된다.
이렇게 해서, 제어 검출기(28)는 제어 레이저(27)로부터의 광을 사용해서 캐비티 길이의 광학 측정을 제공하고, 피드백 제어기(33)는 그에 응답하여 대향된 반사체들의 상대적인 이동을 제어해서 개개의 주사보다 긴 기간에 걸쳐 발생하는 드리프트(drift)를 안정화시킨다. 이러한 드리프트는, 예를 들어 캐비티-내 매질에서의 압력 변화 및 열적 효과에 의해 야기될 수 있다.
이렇게, 제어 레이저(27)의 파장이 반사체(2, 3)가 비교적 낮은 반사율을 갖는 영역 내로 되도록 선택되므로, 투과 강도는 캐비티 길이를 갖는 거의 정현파의 변조를 따른다. 예를 들어, 532 ㎚의 파장이 선택될 수 있고, 이는 반사체(2, 3)의 고 반사율 대역보다 짧은 파장이다.
제어 검출기(28) 및 피드백 제어기(33)의 응답 시간은 드리프트의 영향에 응답하도록 선택된다. 응답 대역폭이 10 ㎐보다 크면, 예를 들어 100 ㎐ 정도이면, 양호한 성능이 달성된다.
캐비티 길이의 광학 측정치는, 상이한 길이를 갖는 장치(10) 상의 두 위치로부터 반사된 단색광의 강도로부터 얻어지고, 예를 들어 다음과 같이 리사주(Lissajous) 그래프를 형성할 수 있다.
제어 검출기(28)는 반사체(2, 3)의 평면 부분 상의 두 위치에서 제어 레이저(27)의 강도를 검출해서 신호 X 및 Y를 제공할 수 있다. 미러들은 가장자리들이 서로 맞지 않게 그들 사이에 약간의 각도를 생성하도록 정렬된다(예를 들어, 1/4 사이클). X에 대한 Y의 플롯은, 실시간으로 모니터링될 수 있으며 캐비티 길이의 변화의 직접적인 판독을 제공하는 리사주 그래프이다. 이렇게 측정된 변화는 폐쇄형 광학 캐비티(1)와 같은 기준 지점에 대하여 원하는 캐비티 길이를 설정하는 데 사용될 수 있거나, 또는 DC 위치결정 압전 적층체 형태로 제어 액추에이터(31)에 수정 신호를 피드백함으로써 원치 않는 변동을 안정화시키는 데 사용될 수 있다. 피드백 루프의 시간 상수를 모드 교란을 기록하는 데 사용되는 캐비티 길이의 주사 속도보다 느리게 함으로써, 이러한 변조는 피드백 신호에 영향을 미치지 않게 된다. 도 8에 도시된 시스템(20)은 50 ㎐의 피드백 루프 대역폭을 사용할 수 있고, 제어 액추에이터는 현저한 온도 변동을 보상할 수 있도록 2 ㎛의 운동 범위를 갖는다.
예시적인 실시예로서, 도 9 및 도 10은 도 3에 도시된 유형의 장치(10)를 포함하는 시스템(20)에 의해 도출되는 일부 측정치를 도시한다. 이 실시예에 있어서, 입자(8)는 공칭 지름이 200 ㎚이고 굴절률이 1.58인 폴리스티렌 구(polystyrene sphere)이고, 입자(8)를 함유하는 유체(7)는 물이었다. 측정 액추에이터(26)는 5 ㎑의 주파수에서 톱니형 구동 신호에 의해 구동되었다. 측정된 파라미터는 모드 시프트, 즉 공진 주파수의 차동 측정치였다. 관심 대상인 캐비티 모드가 동조가 발생한 주사 범위 이내였을 경우, 그에 따라 모드 시프트 δλ(t)의 측정치가 5 ㎑의 샘플링 속도로 도출되었다. 5 ㎑의 주사 속도는 캐비티 모드의 특성 길이 및 입자(8)의 확산 길이보다 충분히 짧은 20 ㎚까지의 확산 길이에 대응한다.
측정 레이저(26)는 두 광학 캐비티(1), 특히 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)를 동시에 조명하도록 배치되었다. 장치(10)는, 캐비티 길이 및 그로 인한 공진 주파수가 포획 캐비티(1a)와 기준 캐비티(1b) 사이에서 달라지도록 행들을 따라 0이 아닌 각도로 상대적으로 경사지는 기판(4, 5)과 함께 사용되었다.
측정 검출기(28) 및 오실로스코프(35)는 중복되었다. 그러나, 측정 검출기(28)들은 모두 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b) 모두로부터의 출력 광을 검출했고, 그 상이한 공진 주파수들은 아래에서 설명하는 바와 같이, 공간 분해능을 제공하기 위해 사용되었다.
하나의 오실로스코프(35)는 입자(8)가 광학 캐비티(1)에 언제 포획되었는지를 사용자가 확인할 수 있도록 이벤트를 실시간으로 모니터링하는 데 사용되었다(자동화된 시스템에서는, 광학 캐비티(1)의 상태의 모니터링은 전산화될 수 있음). 다른 오실로스코프(35)는 데이터 프로세서(40)에 의한 처리를 위해 데이터를 기록하는 데 사용되었다. 기준 캐비티를 통해 확산하는 입자(8)의 존재를 나타내는 이따금의 이벤트는 폐기되었다.
도 9는, 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)가 서로 다른 캐비티 길이 및 그로 인한 서로 다른 공진 주파수를 갖는 장치(10)에 대한 측정 검출기(28)의 출력의 한 쌍의 트레이스(41, 42)를 도시한다. 각각의 트레이스(41, 42)는 공진을 통한 단일의 주사 동조에 대한 출력이며, 두 트레이스(41, 42)는 상이한 두 시간(t)에(구체적으로 t = 0 s 및 t = 1.45 s에) 기록된다. 이들은 서로 다른 두 동조 스위프에 대한 응답 모드의 형상을 예시하기 위해 선택된 초당 5,000개의 트레이스 중 두 개이다. 출력 신호는 시간 도메인에 기록되고, 수평 축선은 광학 캐비티(1)에서 640 ㎚ 광의 상대적인 평균 파장으로 변환되었다. 산점도는 측정된 출력들을 묘사하고, 점선은 그 맞춤(fit)을 나타낸다.
도 9에 도시된 출력 신호들의 형태는 다음과 같다.
각각의 트레이스(41, 42)는 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)의 공진들에 대응하는 두 가지의 공진을 갖고, 두 가지의 공진은 포획 캐비티(1a)와 기준 캐비티(1b)간의 캐비티 길이의 차이로 인해 분리되며, 그에 따라 주파수(파장) 도메인에서의 분리로 인해 포획 캐비티(1a) 및 기준 캐비티(1b)의 공간 분해능이 가능해진다. 공진들은, 공진을 통한 동조 주사 동안 장치(10)의 진동으로 인한 왜곡 발생이 없음을 입증하는, 공진들 각각에 대한 로렌츠 라인 형상(Lorentzian line-shapes)을 갖는다.
두 트레이스(41, 42)는 기준 캐비티(1b)의 공진인 상대 파장 λ = 0.75 ㎚(근사치로)에서의 공진을 포함한다.
시간 t = 0 s에서, 포획 캐비티(1a)에는 입자(8)가 없었기 때문에, 트레이스(41)는 상대 파장 λ = 0.05 ㎚(근사치로)에서의 포획 캐비티(1b)의 공진을 포함한다.
시간 t = 1.45 s에서, 포획 캐비티(1a)에는 입자(8)가 없었기 때문에, 트레이스(42)는 상대 파장 λ = 0.2 ㎚(근사치로)에서의 포획 캐비티(1b)의 공진을 포함한다. 시간 t = 0 s에서의 트레이스에 비해 약 0.15 ㎚의 공진의 시프트가, 전술한 바와 같이 공진을 교란시키는 광학 캐비티(1) 내의 입자(8)의 존재에 의해 야기된다.
공진의 시프트는 입자(8)의 광학적 성질(주로 그 분극률과 관련되는 그 굴절률)과, 광학 모드와의 그 상호작용에 영향을 미치는 광학 캐비티(1)의 전계 분포 내에서의 입자(8)의 위치에 의존한다. 입자(8)의 위치에 대한 의존성의 결과로서, 입자(8)가 포획 캐비티(1a)에서 광학적으로 포획될 때의 시프트는 입자(8)가 이동함에 따라 경시적으로 달라진다.
예시로서, 도 10은 시간에 걸쳐 반복적으로 측정되는 입자(8)를 포함하는 포획 캐비티(1b)의 공진 주파수, 즉 (도 9에 도시된 바와 같이) 각각의 동조 주사 동안 측정되는 공진들로부터의 공진 주파수를 도출하는 것에 의한 실시예를 도시한다.
도 10에서, 상부 트레이스(43)는 기준 캐비티(1b)의 공진의 공진 주파수에 대응하는 상대 파장(도 9의 수평 축선과 동일한 축척이지만, 도 9에 비해 상대 파장 λ = 0 ㎚를 이동시키도록 시프트됨)을 묘사한다. 알 수 있듯이, 기준 캐비티(1b)의 공진의 공진 주파수는 상대 파장 λ = 0.75 ㎚(근사치로)에서 약간의 노이즈가 있지만 상당히 일정하다.
도 10에서, 하부 트레이스(44)는 포획 캐비티(1a)의 공진의 공진 주파수에 대응하는 상대 파장을 묘사한다. 시간 t = 0.3 s 전에는, 포획 캐비티(1a) 내에 입자(8)가 없기 때문에, 공진 주파수가 상대 파장 λ = 0 ㎚에 있다. 시간 t = 0.3 s 전의 트레이스들(43, 44)간의 형상에 있어서의 유사성은 공통의 모드 노이즈 제거를 달성하기 위해 차동 위치를 사용하는 값을 입증한다.
시간 t = 0.3 s에서, 입자(8)가 광학 캐비티(1)에 포획되므로 공진 주파수가 음의 상대 파장으로 시프트된다. 그후, 입자(8)는 1.5 s를 초과하는 기간 동안 포획 전위에서 확산하여 공진에 있어서의 연속적인 급속 시프트를 야기한다. 이 지속기간은 도 10에서 흰색 막대로 표시된 바와 같이, 약 80 ms의 자유 확산 시간(τdiff)을 상당히 초과하게 되고, 그에 따라 광학 포획이 입증된다. 또한, 이 시간 동안의 현저한 변동은 입자(8)가 포획 전위 내에서 자유롭게 계속 확산함을 보여준다.
이제, 단계 S3에서 도출된 적어도 하나의 파라미터의 측정치에 대하여 단계 S4에서 수행된 처리를 설명한다. 이 처리는 입자(8)를 특성화하는 추가 정보를 도출한다. 일반적으로, 이 처리는 반복적인 측정치들의 분포로부터, 광학 캐비티(1) 내의 입자(8)의 운동에 의존하는 입자의 특성의 하나 이상의 척도를 도출하고, 그에 따라 반복적인 측정치들을 이용해서 부가 정보가 제공된다. 예를 들어, 척도는 입자(8)의 운동에 대한 마찰 계수, 입자(8)의 분극률, 입자(8)의 굴절률, 입자(8)의 광 흡수 또는 입자(8)의 광 산란 단면 중 하나 이상의 척도를 제한 없이 포함할 수 있다.
척도는 입자(8)의 형상에 의존하는 특성, 예를 들어 전체적인 또는 부분적인 분극률 텐서(tensor)의 척도, 또는 나노입자의 타원율(ellipticity)의 척도일 수 있다. 마이크로캐비티의 기본 모드는 분극이 두 번 축퇴된다. 세장형 입자는 복굴절 효과를 유발하고 이 축퇴를 해제한다. 따라서, 기본 모드는 이방성 입자의 영향 하에서 2개의 모드로 분할된다. 이상적으로는, 마이크로캐비티는 2개의 모드를 균등하게 여기시키기 위해 원형으로 편광된 광에 의해 조명될 필요가 있다. 이 분할은 나노입자가 횡방향으로 놓일 경우 최대가 되며, 해당 입자가 종방향으로 놓일 경우 최소가 된다. 포획 이벤트 중에, 입자는 그 브라운 운동 때문에 가능한 모든 공간 구성을 탐색한다. 최대 분할은 횡방향으로 놓이는 입자에 대응한다. 분할은 모델(예를 들어, 커플 쌍극자 모델 또는 탈분극 인자와 같은 모델)에 의해 입자의 이방성의 정도에 직접 관련될 수 있다. 모드 분할 및 그에 따른 입자 이방성을 측정하기 위해 마이크로캐비티의 출력에서의 광의 편광 상태(즉, 그 스토크스 파라미터(Stokes parameters))를 연구할 수도 있다.
하기의 설명은 도 9 및 도 10을 참조하여 위에서 살펴본 바와 같이 동일 입자(8) 및 유체(7)를 측정하기 위해 기술한 시스템(20)을 사용해서 얻은 결과를 참조한다. 참조를 용이하게 하기 위해, 하기의 설명 중 일부는, 한정되는 것은 아니지만, 광학 캐비티(1)가 도 1에 도시된 유형의 캐비티인 실시예와 관련되고, 해당 실시예는 도 2에 도시된 유형의 광학 캐비티(1)를 포함하는 다른 유형들의 광학 캐비티(1)에 유사하게 적용될 수 있다.
단계 S4에서의 처리의 제 1 유형은 다음과 같다.
이 처리는 입자(8)의 분극률의 척도를 도출하기 위해 입자(8)의 장기적인 포획과 조합되는, 단계 S3에서 도출된 공진의 공진 주파수의 파라미터를 사용한다.
도 11은 4초의 기간에 걸쳐 광학 캐비티(1)에 포획된 입자(8)에 의해 야기되는 시간에 따른 공진 주파수의 전형적인 플롯을 도시한다.
입자(8)의 분극률의 척도는, 구속되는 캐비티 모드(6)의 최대 전계 강도에 입자(8)가 위치되는 것에 대응한다고 알려져 있기 때문에, 관찰된 공진 주파수에서의 최대 시프트(최대치는 80 ms의 시간 창 내에서 결정됨)로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 데이터에 있어서, 370 pm의 시프트는 8.4 × 105 ㎚3의 분극률에 대응하고, 이는 공칭 입경에 대한 10.5 × 105 ㎚3의 분극률을 제공하는 미(Mie) 이론의 예측과 잘 일치하고 있다.
도 11의 데이터는, 공진 주파수에서의 최대 시프트가 4개의 레벨 사이에서 (플롯팅된 데이터의 상단에 그려진 굵은 선으로 도시된 바와 같이) 시간의 함수로서 단계들을 나타내는 것을 보여준다. 이 거동은 도 5에 도시된 바와 같은 광학 모드의 4개의 앤티노드(12) 사이의 포획된 입자(8)의 호핑(hopping)에 기인한다. 가장 큰 시프트는 전계 강도가 가장 강한, 평면 반사체(2)에 이어지는 빔 웨이스트(beam waist)에 놓이는 앤티노드에서 발생한다.
측정된 모드 선폭에 대한 변화가 또한 관찰되고, 입자(8)에 의한 캐비티 광자의 산란 또는 흡수에 기인한다. 캐비티(1)의 관심 대상 성질은 입자(8)가 확산함에 따라 모드 선폭의 변화를 기록함으로써 드러난다. 도 12는 점들의 밀도와 관련되는 색상 기준으로, 시프트의 함수로서 선폭의 산포도를 표시한다.
단계 S4에서의 처리의 제 2 유형은 다음과 같다.
이 처리는 단계 S3에서 도출된 공진의 선폭 및 공진의 공진 주파수의 파라미터들을 사용한다. 입자(8)에 의한 산란의 정도에 의존하기 때문에, 공진의 선폭이 관심 대상이다. 산란에 의존하는 다른 파라미터들이 유사한 방식으로 사용될 수 있다.
도 12는 반복적인 측정치들을 위한 이들 두 파라미터의 서로에 대한 산점도의 세트이다. 도 12의 주된 플롯은 모든 측정치들에 대한 것이다. 이는 입자(8)에 의한 산란의 정도가 점선(46, 47)으로 도시되는 쌍극자 근사법 또는 미(Mie) 이론에 의해 예측되는 것보다 실질적으로 낮다는 것을 나타낸다. 이는, 광학 모드로부터 산란하는 광자의 상태를 보다 적게 함으로써 산란 단면을 줄이는, 광학 캐비티(1)내 상태들의 감소된 광학 밀도에 의해 야기된다.
도 12의 삽도는, 전술한 바와 같이 결정되는 4개의 앤티노드(12)에 있는 입자(8)에 대응하는 데이터의 4개의 서브세트에 대한 별도의 산점도들이다. 이는 4개의 앤티노드(12)에 존재하는 입자(8)간의 산란의 정도가 다르고, 그에 따라 각각의 앤티노드에서의 서로 다른 산란의 정도가 예시됨을 보여준다.
단계 S4에서의 처리의 제 3 유형은 다음과 같다.
이 처리는 단계 S3에서 도출된 공진의 공진 주파수의 파라미터(모드 시프트)를 사용한다. 이 파라미터의 분포는, 다음과 같이, 트랩 강도의 척도(열 에너지에 대한 포획 전위의 깊이의 비)를 도출하고, 이어서 입자(8)의 분극률의 척도 및 입자(8)의 온도의 척도를 도출하는 데 사용된다.
특정 모드 시프트(공진 주파수)는 일반적으로 포획 전위 내의 입자(8)의 다수의 서로 다른 위치에 의해 야기될 수 있고, 그에 따라 특정 모드 시프트를 제공하기 위해 입자(8)가 취할 수 있는 상대적인 위치들의 수를 나타내는 상태들의 밀도(ρ)를 규정할 수 있다. 상태들의 밀도의 변수는, 이 변수가 포획 전위의 최소치에서 0으로 되는 것이 편리하기 때문에, 
= 1 - 
로 되도록 선택되고, 여기서 
는 정규화된 모드 시프트이다(즉, 
= 1 은 데이터 세트 내의 최대 모드 시프트에 대응함). 트랩 깊이(U)의 경우, 트랩 중심보다 상위의 입자(8)의 위치 에너지는 vU와 같고, 특정 모드 시프트가 발생할 확률은 하기의 식에 따라 이용 가능한 상태들의 집합의 볼츠만(Boltzmann) 분포에 의해 주어지고,
여기서, N0은 정규화 상수이고, U는 트랩의 전위 깊이이다. 이용 가능한 상태들의 집합 N(v)를 본 명세서에서는 점유 확률(Probability of Occupation (PO))이라고 한다. 파라미터
는 트랩 강도로서 알려져 있지만, 트랩 깊이(U)는 입자(8)의 분극률(α) 및 하기 식에 의한 트랩(I0) 내의 최대 전계 강도와 관련되며,
여기서, n은 유체(7)의 굴절률이고, c는 진공에서의 광의 속도이고, 
은 자유 공간의 유전율이다. 또한, 온도(T)는 하기 식을 통한 트랩-내 전계 강도에 의존하고,
여기서, T0은 주위 온도이고, P0은 캐비티-내 전력이고, β는 상수이다.
P0은 캐비티 모드를 조명하기 위해 사용되는 640 ㎚의 전력에 비례하고 ρ(v)는 P0과는 무관하기 때문에, 레이저 출력의 선택시에 모드 시프트의 측정된 분포 N(v)를 플롯팅하는 것은 제각기 입자(8)의 트랩 깊이 및 온도의 척도인 2개의 파라미터 U 및 β의 결정을 허용한다. 따라서, 트랩 깊이(U)는 입사 레이저 출력의 함수로서 설정된다.
이 처리를 예시하기 위해, 도 13은 최대 레이저 출력의 80%, 88% 및 100%인 3가지의 서로 다른 출력의 측정 레이저(26)로 실험적으로 측정된 점유 확률 N(v)를 도시한다. 도 13에서, 점유 확률 N(v)는 정규화된 모드 시프트 
에 대하여 플롯팅된다. 산점도는 3가지의 서로 다른 레이저 출력 P에 대한 실험 데이터를 도시하지만, 실선은 방정식 (1)에 대한 맞춤, 즉 볼츠만 열 분포 함수와 상태들의 트랩 밀도의 곱을 나타낸다. 삽도는 캐비티-내 광 출력의 함수로서 측정 레이저(26)의 3가지의 서로 다른 출력에서의 측정치들로부터 도출된 트랩 강도를 도시한다. 삽도에 있는 선은, 온도 파라미터 β에 대한 상한을 제공하는, 원점을 통과하는 이들 데이터 점에 대한 방정식 (2) 및 (4)의 맞춤이다.
도 13에 도시된 측정 레이저(26)의 3가지 출력은 파라미터 β에 상한을 마련하는 것이면 충분하므로, 온도가 50 K 이상 상승하지 않을 것임을 확신할 수 있다. 더 많은 수의 측정 레이저(26)의 출력들로 측정하면 이 맞춤 파라미터를 결정함에 있어서의 정확도가 증가하고 파라미터 β에 보다 정확한 값이 제공된다.
추출된 상태들의 밀도의 함수 ρ(v)는 포획 전위에 관한 상세한 정보를 제공한다. 여기서, 모델링된 포획 전위는 측정된 점유 확률 N(v)에 대한 맞춤을 달성하는 데 사용된다. 이들 광학 캐비티(1)의 캐비티 모드 분포에서의 높은 수준의 재현성은 전계 강도의 FDTD 시뮬레이션의 사용을 신뢰할 수 있음을 의미하지만, ρ(v)는 원칙적으로 측정된 분포로부터 추출될 수도 있어서 포획 전위의 선험적 지식이 요구되지 않는다.
단계 S4에서의 처리의 제 4 유형은 다음과 같다.
전술한 방법은 입자(8)의 분극률의 척도를 설정하고 광학 캐비티(1)를 조명하기 위해 사용되는 광의 입사 강도에 대한 트랩 깊이를 교정한다. 제 4 유형의 처리는 단계 S3에서 도출되는 공진의 공진 주파수의 파라미터(모드 시프트)를 사용해서, 결국 입자(8)의 사이즈의 척도를 도출하기 위해 사용되는 마찰 계수(또는 확산율)의 척도를 도출한다.
마찰 계수의 척도는 모드 시프트의 자기상관 함수를 사용해서 다음과 같이 도출된다.
시간-의존적인 모드 시프트에 대한 자기상관 함수는 다음 식에 의해 주어진다.
광학 캐비티(1)에 있어서, 시간의 함수로서 모드 시프트의 자기상관 함수는 쌍-지수 붕괴(bi-exponential decay)의 형태를 취하는 것으로 발견된다. 2개의 붕괴 성분은 다음 식에 의해 주어지는 축방향 및 횡방향에 있어서의 2개의 서로 다른 트랩 견고성 값들에 대응한다.
2개의 붕괴 시간 상수 
및 
는 다음 식에 의해 주어지는 축방향 및 횡방향에 있어서의 트랩 견고성의 평균값들과 관계되고,
여기서, 
는 유체(7) 내의 입자의 마찰 계수(유체역학 항력)이고, <kz> 및 <kx,y>는 다음 식으로 주어지는 등분배 이론(equipartition theory)을 사용해서 계산될 수 있는 평균 트랩 견고성이고,
평균 제곱 위치는 볼츠만 에너지 분포로부터 계산되고 정규화된 파장 시프트와 변위 사이의 관계는 하기 식에 따라 FDTD 모델링 데이터로부터 계산된다.
이 처리를 예시하기 위해, 도 14는 기록된 모드 시프트의 시퀀스에 대한, 실험적인 측정치들로부터 도출된 정규화된 자기상관 함수를 도시한다. 산점도는 실험 데이터이고, 실선은 방정식 (6)에 대한 맞춤을 나타내고, 그 시간 상수들은 횡방향(x, y) 및 종방향(z)의 서로 다른 트랩 강도에 대응한다. 방정식 (6)에서의 파라미터 k = 1/3(또는 2/3)은 트랩 내의 각 공간 차원의 정규화된 상관 함수에 대한 기여도를 나타낸다.
알 수 있듯이, 양호한 쌍-지수 맞춤(bi-exponential fit)이 붕괴 시간 상수 
= 0.32 ms ± 0.02 ms 및 
= 7.1 ms ± 0.1 ms로 달성된다.
도 15는 측정 레이저(26)의 3가지 출력에 대한, 3가지의 측정된 상관 함수의 상응하는 붕괴 상수(τ)에 대한 계산된 평균 견고성 파라미터 k의 플롯(48, 49)을 도시하고, 플롯(48)은 횡방향(x, y)에 대한 것이며 플롯(49)은 종방향(z)에 대한 것이다. 각각의 플롯(48, 49)은 
= 4.8 × 10-9 kg/s 및 
= 3.1 × 10-9 kg/s의 마찰 계수의 값들을 제공하는, 방정식 (7a) 및 (7b)를 사용해서 마찰 계수를 계산하는 데 사용될 수 있는 역관계를 표시한다.
입자(8)의 사이즈의 척도는, 다음과 같이 그 사이즈 및 주위의 유체(7)의 성질에 대한 마찰 계수의 의존성을 고려하여 마찰 계수의 척도로부터 도출될 수 있다.
등방성 점도(
)를 갖는 벌크 유체 환경에서 반경(r)의 입자(8)에 대한 마찰 계수는 
에 의해 주어진다. 반경 r = 100 ㎚가 주어지면, 입자(8)가 실온의 물에서 자유롭게 확산하고 있었을 경우(
10-3 Pa.s), 
= 
= 1.7 × 10-9 kg/s를 예상할 수 있다. 여기서 제시된 결과에 있어서, 반사체(2, 3)의 존재는 마찰 계수를 증가시키는, 입자(8)가 겪는 항력을 증가시키고, 광학 캐비티(1)의 기하학적 형상은 z 및 x, y를 따라 상이한 증가를 초래한다.
크기는 고정된 표면으로부터의 거리(h)에서 입자(8)에 대한 해석식을 사용해서 도출될 수 있고, 그에 따라 
가 다음 식에 따라 증가되고,
여기서, 
는 벌크 식에 대한 수정 파라미터로서 정의되어 있다. 장치(10)에서, h의 적절한 값은 입자(8)가 포획되는 전계 앤티노드에 의존하고: 미러(1 및 4)에 바로 인접하는 전계 앤티노드에 포획되는 200 ㎚ 직경의 입자(8)의 경우, 미러로부터 입자(8)의 중심의 평균 거리는 λ/4n이고, 수정 파라미터는 
= 0.51로 되도록 계산되고, 한편 2 및 3으로 번호가 매겨진 전계 앤티노드(12)에 포획되는 것들의 경우, 미러로부터 입자(8)의 중심의 평균 거리는 3λ/4n이고, 
= 0.18임을 안다.
Claims (33)
- 유체 내의 분극성 입자(polarizable particle)의 특성을 검출하는 장치에 있어서,
유체를 사이에 수용하기 위한 대향된 광학 반사체들을 포함하는 개방형 광학 캐비티(open optical cavity);
적어도 하나의 입자를 유체를 통해 상기 광학 캐비티 내로 도입하기 위한 샘플 도입 시스템;
개개의 입자에 의해 영향을 받는 상기 광학 캐비티의 광학 모드(optical mode)의 공진을 여기시키는 광으로, 상기 입자를 포함하는 상기 광학 캐비티를 조명하도록 구성된 조명 광원; 및
여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치를 도출하고, 상기 적어도 하나의 측정치로부터 상기 적어도 하나의 입자의 적어도 하나의 특성을 도출하기 위한 데이터 프로세서를 포함하고,
상기 광학 캐비티는 10 ㎛3 이하의 광학 모드 용적(optical mode volume)을 갖고,
상기 장치는 상기 광학 캐비티를 조명할 때 상기 장치가 상기 공진을 통해 동조하도록(tune through the resonance) 구성되고,
상기 장치는 반복적으로 상기 공진을 통해 동조하고, 반복적으로 동조된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 반복적인 측정치를 도출하도록 구성되는
장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 대향된 반사체들은 상대적으로 이동 가능하고, 상기 장치는 상기 대향된 반사체들을 상대적으로 이동시켜서 캐비티 길이를 조정하는 것에 의해 상기 공진을 통해 동조하도록 구성되는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 동조하는 단계 동안 광학 측정을 수행함으로써 캐비티 길이를 모니터링하고, 모니터링된 캐비티 길이에 응답하여 상기 대향된 반사체들의 상대 이동을 제어해서 드리프트(drift)를 안정화하도록 추가로 구성되는
장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 상기 광학 캐비티로부터 출력되는 광을 측정하고, 측정된 광으로부터 상기 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치를 도출하도록 구성되는
장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 장치는 상기 공진을 통해 동조하고, 상기 공진을 통한 동조(tuning through the resonance) 동안 상기 광학 캐비티로부터 출력되는 광을 측정하도록 구성되는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 조명 광원은 레이저로부터의 광으로 상기 입자를 포함하는 상기 광학 캐비티를 조명하도록 구성된 레이저인
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 조명 광원은 편광되는 조명 광을 제공하도록 구성되며, 상기 광학 모드의 공진은 분극화된 전계(polarised electric field)를 갖는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광학 캐비티는 100 이상의 피네스(finesse)를 갖는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 대향된 광학 반사체들 중 적어도 하나는 2개의 직교 차원에서 오목한
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 대향된 광학 반사체들은 모두 평면형인
장치. - 제 1 항에 있어서,
제 1의 규정된 광학 캐비티를 포함하는 복수의 광학 캐비티의 어레이가 제공되고, 각각의 광학 캐비티는 유체를 수용하는 대향된 광학 반사체들을 포함하고, 상기 광학 반사체들 중 적어도 하나는 2차원에서 오목하며,
상기 장치는,
개개의 입자를 유체를 통해 각각의 광학 캐비티 내로 도입하고;
입자를 포함하는 광학 캐비티들에 대하여 상기 입자에 의해 영향을 받는 상기 광학 캐비티들의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 상기 광학 캐비티들을 조명하고;
입자를 포함하는 각각의 광학 캐비티에 대하여, 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치를 도출하도록 구성되는
장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 장치는 상기 광학 캐비티들의 광학 모드의 공진을 서로 다른 공진 주파수에서 여기시키는 동일 광원으로부터의 광으로 모든 광학 캐비티들을 조명하도록 구성되는
장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 광학 캐비티들은 서로 다른 공진 주파수에서 광학 모드를 갖는
장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 장치는 개개의 입자를 유체를 통해 상기 광학 캐비티들 중 2개 이상의 광학 캐비티 내로 도입하도록 구성되는
장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 복수의 광학 캐비티는 입자가 도입되지 않는 기준 광학 캐비티를 포함하고, 입자를 포함하는 각각의 광학 캐비티에 대하여 도출되는 모든 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 상기 적어도 하나의 측정치는 입자를 포함하는 상기 광학 캐비티와 상기 기준 광학 캐비티 사이의 차동 측정치(differential measurement)인
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 장치는,
복수의 입자를 유체를 통해 상기 광학 캐비티 내로 도입하고;
개개의 입자들에 의해 영향을 받는 개개의 입자들 주위의 국부화된 영역들에서 상기 광학 캐비티들의 광학 모드의 공진을 여기시키는 광으로 상기 광학 캐비티를 조명하고;
상기 광학 캐비티의 상기 국부화된 영역들에 대하여 상기 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 적어도 하나의 측정치를 도출하도록 구성되는
장치. - 제 18 항에 있어서,
상기 장치는 서로 다른 공진 주파수에서 상기 국부화된 영역들에 대하여 광학 모드들의 공진을 여기시키는 동일 광원으로부터의 광으로 상기 광학 캐비티를 조명하도록 구성되는
장치. - 제 18 항에 있어서,
상기 국부화된 영역들에 대하여 도출되는 상기 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 상기 적어도 하나의 측정치는 각각의 입자를 포함하는 광학 캐비티의 상기 국부화된 영역들과 입자를 포함하지 않는 광학 캐비티의 영역 사이의 차동 측정치인
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 공진은 상기 광학 캐비티 내의 입자를 광학적으로 포획하는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 파라미터는, 공진 주파수; 위상; 진폭; 상기 여기된 공진의 폭; 분극화 축퇴(polarization degeneracy)가 해제된 모드의 공진의 폭; 및 상기 입자에 의한 광 산란에 의존하는 적어도 하나의 파라미터; 중 적어도 하나를 포함하는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 상기 여기된 공진의 적어도 하나의 파라미터의 반복적인 측정치들을 도출하는
장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 장치는 반복적인 측정치들의 분포로부터, 상기 광학 캐비티 내의 개개의 입자의 운동에 의존하는 상기 입자의 특성의 척도를 추가로 도출하는
장치. - 제 24 항에 있어서,
상기 척도는, 상기 입자의 분극률(polarizability)의 척도; 전체적인 또는 부분적인 분극률 텐서(tensor)의 척도; 상기 입자의 온도의 척도; 상기 반복적인 측정치들의 분포의 자기상관 함수(autocorrelation function)를 사용해서 도출되는 유체 내의 입자의 마찰 계수의 척도; 중 하나인
장치. - 제 25 항에 있어서,
상기 전체적인 또는 부분적인 분극률 텐서의 상기 척도는 나노입자의 타원율(ellipticity)의 척도인
장치. - 제 25 항에 있어서,
상기 마찰 계수의 척도로부터 상기 입자의 사이즈의 척도를 도출하도록 추가로 구성되는
장치. - 삭제
- 삭제
- 삭제
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